多孔氣凝膠的案例
一種具有優異力學性能的氣凝膠纖維隔熱材料
來源 | ACS Nano
01
背景介紹
氣凝膠纖維是一類典型的新材料，由于其具有高孔隙率、低導熱性和低密度等優異特性，近年來受到越來越多的關注。這些特性為納米多孔氣凝膠纖維在隔熱、可穿戴織物、電磁屏蔽、傳熱裝置等領域的應用提供了廣闊的前景。但是，高孔隙率使得納米多孔氣凝膠纖維本能地表現出較差的力學性能。然而，要克服納米多孔氣凝膠纖維因其高孔隙率而帶來的脆弱力學特性，以便賦予其卓越的強度和高韌性，仍然是一個充滿挑戰性的難題。通過定向致密化和碳化，具有優先構建塊取向的層狀芳綸納米纖維/碳納米管雜化氣凝膠膜的機械強度和電導率都得到了顯著提高此外，相對于孔隙隨機分布的纖維素氣凝膠，具有高各向異性的纖維素塊狀氣凝膠經定向冷凍干燥后的力學性能得到了顯著提高。因此，納米多孔氣凝膠纖維的納米結構取向排列可能是獲得更好的力學性能的有效途徑。
02
成果掠影
近期，中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所張學同研究員針對要克服納米多孔氣凝膠纖維因其高孔隙率而帶來的脆弱力學特性的問題取得最新進展。該文報道了超韌氣凝膠纖維(SAFs)最初是由離子液體解離纖維素通過濕紡絲和超臨界干燥順序開始制備的。所制得的纖維素納米多孔氣凝膠纖維具有卓越的性能，包括高比表面積(372 m2 /g)、良好的機械強度(30 MPa)和高伸長率(107%)。得益于其高強度和伸長率，合成的纖維素納米多孔氣凝膠纖維顯示出高達21.85 MJ/m3的超高韌性，遠遠優于文獻中已知的氣凝膠材料。
展開 《AFM》：一種多孔氣凝膠，獲得迄今報道最好的乙醇電合成性能！
來自韓國科學技術高級研究院等單位的研究人員，引入一種新型多孔Cu/Cu2O氣凝膠網絡，以提高電催化CO2RR的乙醇產率。氣凝膠是由前驅體和還原劑進行簡單的化學氧化還原反應合成的。CO2RR實驗結果表明，Cu/Cu2O氣凝膠以乙醇為主要產物，其法拉第效率(FEEtOH)為41.2%，部分電流密度(JEtOH)為32.55 mA cm?2。這是迄今為止報道的最好的乙醇電合成性能。電子顯微鏡和電化學分析結果表明，乙醇電合成性能的顯著提高歸因于大量Cu0-Cu+界面和高比表面積的聚合多孔氣凝膠網絡結構的局部pH的提高。相關成果發表在Advanced Functional Materials。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202102142
圖1.Cu/Cu2O氣凝膠的合成和結構
圖2.Cu和Cu2O對Cu0-Cu+界面的表征
圖3.氫電池反應器中的電催化二氧化碳轉化性能。
圖4.GDE在流動電池反應器中的應用
圖5.乙醇電合成性能與以前的研究和提出的機理的比較。
綜上所述，本文開發了一種用于CO2電合成乙醇的Cu/Cu2O氣凝膠催化劑。在?1.1V時，Cu/Cu2O氣凝膠具有較高的產率(JEtOH=32.55mA cm-2)和C2產物選擇性(FEEtOH≈41.2%，FeC2H4≈39.6%)。Cu0-Cu+界面在多孔氣凝膠上的密集分布和較高的比表面積對提高電催化CO2RR的性能起著至關重要的作用。
展開 一種用于個人熱管理的氣凝膠纖維織物
新興的氣凝膠纖維/織物繼承了氣凝膠的三維多孔結構和纖維的柔韌性，以其輕質、高孔隙率和多集成功能在智能溫控紡織品中顯示出巨大的潛力。高孔隙結構可以使氣凝膠纖維具有較低的導熱系數(23-50 mW/mK)，極大地抑制了熱損失。因此，氣凝膠纖維及其復合織物在個人熱管理方面顯示出巨大的潛力。
目前，已經開發了幾種具有不同功能的氣凝膠纖維，與其他有機或無機氣凝膠纖維相比，PI氣凝膠纖維具有良好的耐溫性和優異的力學性能，在大范圍溫度下的熱管理紡織品中顯示出相當大的潛力。然而，目前所有策略都需要在紡絲后進行后處理，如超臨界干燥或冷凍干燥，以保持氣凝膠纖維的高度多孔結構，這是費時且成本高的。通過常壓干燥快速制備PI氣凝膠纖維仍然是一個巨大的挑戰。
通常，氣凝膠纖維是通過噴絲管擠出、溶膠-凝膠轉變和超臨界/冷凍干燥工藝制備的。溶膠-凝膠過程對于形成典型的三維多孔氣凝膠結構至關重要。制備連續氣凝膠纖維存在溶膠-凝膠過渡和干燥兩個主要障礙。高性能氣凝膠纖維的高通量制備面臨以下挑戰：(1)實現紡絲溶液的快速動態溶膠-凝膠轉變；(2)構建高強度凝膠骨架并有效避免骨架在干燥過程中坍塌。
02
成果掠影
近日，江南大學劉天西和樊瑋團隊報道了一種快速和可擴展的交聯聚酰亞胺(CPI)氣凝膠纖維的制造策略。該方法是通過濕紡絲和紫外線增強動態凝膠策略進行環境壓力干燥。該策略使光敏聚酰亞胺的溶膠-凝膠快速轉變，產生強交聯凝膠骨架，有效地保持纖維形狀和多孔納米結構。該方法可在7 h內連續生產出長度達數百米的高比模量(390.9 kN m/kg)的CPI氣凝膠纖維，比以往的方法(>48 h)效率更高。此外，CPI氣凝膠織物的隔熱性能與羽絨幾乎相同，但厚度約為羽絨的1/8。
展開 研究 \\ 冷凍鑄造技術定向制備氮化硼復合隔熱氣凝膠材料
礦棉、木纖維、玻璃纖維、多孔芳綸纖維和市售的膨脹隔熱泡沫等聚苯乙烯(EPS)和聚氨酯(PU)泡沫是用于保溫的常規材料。然而，它們的導熱系數高于空氣，從而限制了它們的應用。
三維(3D)多孔氣凝膠由于其低密度和高孔隙率而被設想為潛在的絕緣材料。其中常用的是陶瓷基氣凝膠和聚合物基氣凝膠。另一方面，聚合物氣凝膠比硅基氣凝膠具有更高的延展性，但其導熱系數通常高于空氣。目前隔熱材料通常用于降低建筑物的能源消耗。大多數商用產品在白天的熱導率低，絕緣性能差，太陽光反射率和熱發射率小。在同一種材料中實現所有特性是非常具有挑戰性的。
02
成果掠影
近期，香港科技大學Jang-Kyo Kim聯合香港理工大學沈曦教授在隔熱氣凝膠材料方面的研究取得新進展。該團隊采用單向冷凍鑄造技術制備了各向異性氮化硼納米片(BNNs)/聚乙烯醇復合氣凝膠。與傳統SiO2或Al2O3基氣凝膠中相互連接的各向同性納米顆粒形成的開孔結構不同，二維BNNS可以將氣凝膠分隔成獨立的細胞，有效減少空氣傳導和對流，從而實現超低導熱。得益于BNNs排列的多孔結構，具有最佳BNNS含量的復合氣凝膠在具有20.3 W/mK的超低導熱系數。此外，BNNS還具有高的折射率，遠高于傳統的SiO2(~1.47)和Al2O3(~1.77)納米粒子。BNNS的折射率與聚合物基體(~1.5)的折射率大不相同，這使得入射光在BNNS/基體界面處有效散射，從而獲得高太陽反射率。該復合氣凝膠在整個太陽光波長上具有95.0%的反射率，在大氣透明窗口內具有93%以上的高發射率。這些理想的特性使它們成為建筑物被動熱管理和熱防護罩以及其他需要高太陽輻照度保護的應用的有希望的材料。
展開 
《ACS Nano》界面電化學自組裝多維 Ti3C2Tx MXene 架構及水-氣凝膠的應用
在這種方法中可以很容易地獲得三維開放多孔氣凝膠以及二維高度堆疊的薄膜結構，同時由于電荷捕獲氧官
能團的自發去除而大大增強了電性能。
因此，基于多維組裝的超級電容器和電磁干擾屏蔽膜表現出優異的性能。相關論文以題為
Multidimensional Ti3C2Tx MXene Architectures via Interfacial Electrochemical Self-Assembly
發表在《
ACS
Nano
》上。
【主圖導讀】
圖
1. Ti
3
C
2
T
x
MXene 和多維 MXene 組裝的自發凝膠化。
團隊為可擴展微米厚的水凝膠提供了一種簡單可靠的基于純
MXene 的凝膠原理。
將任意形狀的鋅模板簡單地浸入 T
i3
C
2
T
x
MXene 的水分散體中，會在模板表面產生真正的 MXene
水凝膠
的保形自組裝
。
有趣的是，
該
凝膠化方法伴隨著 MXene 構件的自發溫和還原，從而在不犧牲內在親水性的情況下增強了導電性
。這種針對特定位置和性能增強的形狀工程可根據定制目的實現各種基于 MXene 的高性能功能單片物體，例如優于典型 MXene 薄膜的出色 EMI 屏蔽以及高速率、高容量的超級電容器。
圖
2. MXene 凝膠化機制。
圖
3. 各種 MXene 組裝結構和納米材料的混合物。
(a) 非平面玻璃基板上的大面積圖案化 MXene 凝膠化 (b, c) 任意形狀的 3D Zn 模板上的共形 MXene 凝膠化。
展開 《AFM》華中師大朱成周、武漢工程文靜：PdBi單原子合金氣凝膠用于高效乙醇氧化
l) Bi L
3
邊緣的 XANES 光譜和 m) Bi 粉末、Bi
2
O 和 IL/Pd
50
Bi
1
氣凝膠的 EXAFS 光譜的 k
3
加權 χ(k) 函數。
圖2
a) N
2
物理吸附等溫線和 b) IL/Pd
50
Bi
1
氣凝膠的孔徑分布。c) IL/Pd
50
Bi
1
、Pd50Bi1 和 IL/Pd 氣凝膠的 XRD 譜。d) 所獲得的 IL/Pd50Bi1 和 Pd
50
Bi
1
氣凝膠和 IL 的 FT-IR 光譜。e) IL/Pd
50
Bi
1
和 Pd
50
Bi
1
氣凝膠的 Pd 3d 區域和 f) IL/Pd
50
Bi
1
、Pd
50
Bi
1
和 IL/Pd 氣凝膠的 Bi 4f 區域的 XPS。
圖3
IL/Pd、IL/Pd
50
Bi
1
和 Pd
50
Bi
1
氣凝膠和商用 Pd/C 催化劑在 N
2
飽和的 1.0 m KOH 水溶液中的 CV 曲線 a) 沒有和 b) 有 1.0 m 乙醇，掃描速率為 50 mV s
-1
。c) 之前報道的各種 EOR 催化劑的質量活性比較。d) 上述不同催化劑在 -0.3 V 的 1.0 m KOH +1.0 m 乙醇溶液中的電流密度-時間曲線。e) CO 汽提曲線和 f) IL/Pd、IL/Pd
50
Bi
1
和 Pd
50
Bi
1
氣凝膠的 EIS 曲線和商用Pd/C催化劑。
圖4
a) IL/Pd 和 IL/Pd
50
Bi
1
氣凝膠 EOR 測試前后電解質的 1H NMR 分析。
展開 一種具有吸波/隔熱多功能的納米纖維氣凝膠
氣凝膠是一種多孔材料，由具有空氣-氣相的微孔固體組成。獨特的互連網絡結構具有密度低、比表面積大等顯著特點，在電磁波衰減和隔熱方面發揮著關鍵作用。李及其同事制備了一種具有相當大的電磁波衰減和隔熱性能的有機-無機氣凝膠型材料。梁等人通過將MXene和石墨烯相結合，制備了一種混合氣凝膠，達到了令人印象深刻的效果。盡管這些氣凝膠表現出非凡的性能，但它們往往高溫下的坍塌阻礙了它們的實際應用。
02
成果掠影
近期，東華大學張禮穎團隊針對如何制備較小體積收縮率的多孔PI氣凝膠取得最新進展。采用超聲冷凍干燥實現了PINF氣凝膠多級孔結構的調控。多級微孔結構由從PINF網中去除冰晶引起的相互連接的初級孔和PNIF網格中的次級孔組合形成。納米纖維氣凝膠獨特的多孔3D網絡提供了良好的阻抗匹配特性，并增強了電磁波的多次反射和散射。同時，MXene上的極性官能團和缺陷誘導偶極子極化，PINF和MXene 之間的異質界面增強了界面極化。因此，MXene/PINF氣凝膠表現出高效的微波吸收性能，顯示出-37.9 dB的最小反射損耗 和3.3 GHz的有效吸收帶寬 (EAB)。此外，MXene/PINF氣凝膠還表現出較低的導熱率和優異的壓縮性能，使其適合在特種服役環境中使用。研究成果以“A strategy to fabricate hierarchical microporous architecture of polyimide nanofibrous aerogels with efficient electromagnetic wave absorption and thermal insulation ”為題發表在《Composites Part A 》。
03
圖文導讀
圖1.
展開 IF15《EEM》桂林電子科大張煥芝/孫立賢：生物質均質增強碳氣凝膠衍生功能相變材料用于太陽能熱能轉換和存儲
團隊設計了一種功能形式穩定的復合相變材料 (PCM)，以實現用于封裝聚乙二醇 (PEG) 的 3D互連多孔碳氣凝膠結構。通過將來自生物質瓜爾膠的柔性碳資源與來自聚酰亞胺的硬脆碳相結合，構建了一種具有良好互連多孔結構的新型均質增強碳氣凝膠，以克服傳統碳氣凝膠的嚴重收縮和較差的機械性能。
支撐碳氣凝膠包封的 PEG 產生了具有良好結構穩定性和綜合儲能性能的新型復合 PCM。結果表明，復合相變材料顯示出明確的 3D 互連結構，其儲能容量分別為 171.5 J/g 和 169.5 J/g，在 100 次熱循環后僅略有變化，并且復合材料可以保持平衡溫度在 50.0 °C-58.1 °C 下持續約 760.3 秒。復合材料的熱導率可達0.62 W m-1 K-1，有效提高了熱響應率。并且復合相變材料表現出良好的防漏性能和優異的光熱轉換。復合相變材料的抗壓強度可提高至 1.602 MPa。結果表明，該策略可以有效地用于開發具有改進的綜合熱性能和高光熱轉換的新型復合相變材料。
相關論文以題為Biomass homogeneity reinforced carbon aerogels derived functional phase-change materials for solar-thermal energy conversion and storage發表在《Energy & Environmental Materials》上。通訊作者是桂林電子科技大學Yongpeng Xia、張煥芝教授、孫立賢教授。
參考文獻：
doi.org/10.1002/eem2.12264
展開 航天特種材料及工藝技術研究所《ACS AMI》：結構穩健的耐1400℃ 陶瓷納米棒氣凝膠隔熱材料
多孔氣凝膠的導熱系數與對流、輻射和傳導有關。由于多孔結構，被困在孔內的空氣速度幾乎是靜止的，因此產生的對流換熱可以忽略不計。而CNRAs的表觀密度很低，導致固體傳導較低，因此，氣相傳導成為影響CNRAs總熱導率的主要因素。CNRAs中存在豐富的平均尺寸約為11.2 nm介孔結構，該尺寸遠小于空氣的平均自由程(70 nm)。因此，CNRAs中孔內氣體分子相互間的碰撞受到很大限制。而莫來石自身具有一定的抗輻射效果，因此，經過莫來石復合后的FRCNRA展現出了良好的隔熱性能。
圖10 FRCNRAs的隔熱性能及機理。(A) FRCNRAs在400°C熱臺上不同時間的光學和紅外圖像;(B)石蠟在FRCNRAs、鐵塊、鋁塊和樹脂基復合材料表面上加熱不同的時間，以對比不同材料的隔熱性能;(C)不同氣凝膠材料的導熱系數與最高耐受溫度的關系;(D) CNRAs的結構和隔熱機理圖。
綜上所述，本文通過Al2O3納米棒和SiO2溶膠的可控組裝，構建了具有分等級結構的大孔-介孔陶瓷納米棒氣凝膠。該氣凝膠展示超強的熱穩定性、良好的機械強度、低密度、優異的隔熱性能和可大規模制備等一系列卓越的性能。其中，最顯著的是所制備的氣凝膠和纖維增強氣凝膠復合材料分別能耐受1400℃和1500℃的超高溫加熱。Al2O3納米棒氣凝膠具有良好的熱穩定性和結構穩定性取決于兩個關鍵因素：首先，微觀納米單元的形狀和尺寸設計合理，克服了傳統珍珠項鏈狀氣凝膠骨架高溫下融合而團聚的問題；其次，在制備過程中有效的高溫退火處理，保證了相鄰納米棒之間是通過強Si-O-Al鍵連接，避免了材料高溫下的進一步晶型轉變。這些優異的性能使CNRAs在極端環境下的耐溫性優于傳統氣凝膠材料，特別是在超高溫和含氧條件下，性能顯著優于碳氣凝膠和陶瓷氣凝膠。
展開 用于電磁干擾屏蔽的Mxene和石墨烯氣凝膠的制備、進展、面臨挑戰和前景
因此，rGO/LDC氣凝膠中更完整和排列良好的細胞壁有效地增強了EMWs的多次反射和散射(圖9j)。與單一的rGO氣凝膠相比，rGO/LDC氣凝膠表現出卓越的EMI屏蔽性能，EMI SE高達80.0 dB，單位厚度SSE/t的特定屏蔽效能高達53250 dB?cm2 /g(圖9k)。此外，Zeng等人通過增加木質素含量，使定向多孔氣凝膠的細胞壁變厚增加載流子，導致更高的電磁干擾屏蔽效能和反射(SEA和SER)。與適當的還原氧化石墨烯含量相結合，這種氣凝膠具有出色的電磁干擾屏蔽性能，利用了還原氧化石墨烯/LDC異質界面產生的極化損耗和排列的蜂窩狀孔造成的多次EMW反射，最終達到了60.4 dB的電磁干擾SE。同樣，纖維素納米原纖維(CNF)被用作一種競爭性的生物聚合物。Li和同事通過定向冷凍和退火制備了具有單向孔的輕質氧化石墨烯/CNF氣凝膠。CNF既可以作為交聯劑增強氣凝膠的柔韌性，又可以作為減輕氧化石墨烯納米片團聚的手段。因此，rGO/CNF氣凝膠表現出優異的EMI屏蔽性能，EMI SE約為33 dB, SSE為5759 dB cm3/g。單向孔隙還在徑向上提高了壓縮彈性。
圖9.(a) rGO/LDC氣凝膠制備工藝示意圖，碳化前(b)和碳化后(f)不同形狀的氧化石墨烯/木質素多孔復合泡沫(rGO/LDC氣凝膠)的數碼照片，(c, d, e) GO/木質素復合泡沫和(g, h, i) rGO/LDC氣凝膠的橫向SEM圖像，(j)提出了rGO/LDC氣凝膠具有橫向入射波的電磁干擾屏蔽機理，(k) SSE/t作為典型屏蔽材料密度的函數。
材料內部的多重反射對有效提高電磁干擾的電磁干擾屏蔽效率起著至關重要的作用，是電磁干擾屏蔽材料設計中的一個重要考慮因素。
展開 《Materials Advances》：南洋理工大制備高效、可循環油水分離的3D多孔MoS2–PVP氣凝膠
多孔材料（如羊毛纖維、活性炭、膨脹石墨、BN納米片）可通過簡單有效的吸收過程將油水分離，已被廣泛用作吸收劑。通常，理想的吸收材料應具有低密度、高吸附能力、出色的可回收性和環境友好性。但是低吸附能力和可回收性差嚴重限制了它們的實際應用。因此，非常需要開發具有高吸附能力和優異的可回收性的吸附材料。MoS2是具有石墨烯狀結構的層狀過渡金屬二硫化物，在催化，電池和傳感器領域具有廣闊的前景。
近期，南洋理工大學使用冷凍干燥法成功地制造了3D MoS2-PVP氣凝膠。作為表面活性劑，PVP可以輕松地附著在MoS2納米片的表面，并促進納米片之間的相互連接。3D MoS2-PVP氣凝膠具有高吸附能力和強大的可回收性。經過30個循環后，通過擠壓和蒸餾，氣凝膠的結構和吸附能力保持在93.5％和92.9％，它可用作環境修復吸附材料。相關成果“A three-dimensional porous MoS2-PVP aerogel as a highly efficient and recyclable sorbent for oils and organic solvents”發表在《Materials Advances》。
結果與討論
圖1描繪了3D MoS2-PVP氣凝膠的組裝過程。兩親性PVP可用作支撐氣凝膠的框架。MoS2的橫向尺寸約為200-600 nm。相比于純的PVP，添加的MoS2 氣凝膠的比表面積增大。
圖 1 3D MoS 2 –PVP氣凝膠的組裝過程。
XRD圖證實PVP是無定形性質，且MoS2-PVP氣凝膠的強度比高于MoS2-PVP，說明PVP促進MoS 2納米片的剝離（圖2a-b）。
展開 
2020年Nature/Science氣凝膠回顧展：世界上最輕的固體材料
有一種材料，雖然是固體，卻無比輕盈，看起來好像一股裊裊的藍煙，如夢似幻，這就是目前世界上最輕的固體材料——氣凝膠。
什么是凝膠？
凝膠就是凝聚的膠體，膠體是介于溶液和濁液之間的一種混合物，其顆粒大小在1-100nm之間。膠體的顆粒都帶有同種電荷，因此在一般狀態下，由于同種電荷相互排斥，這些顆粒無法碰撞結合。但是如果在膠體中混入電解質，這些顆粒所帶的電荷就會被電解質中帶電粒子的電荷中和，顆粒間不再發生電荷互斥，而是碰撞結合，形成凝膠。
什么是氣凝膠？
凝膠中的膠體顆粒相互結合，但是這些顆粒并不像石榴籽那樣緊密地挨在一起，而是連結成了空間網狀結構。這樣的空間網狀結構存在大量的孔洞，而孔洞中又充斥著液體。在不破壞空間網狀結構的前提下，將這些液體抽離，任氣體充盈在結構周圍，便形成了氣凝膠。
氣凝膠有什么用？
氣凝膠有很多種，如氧化物氣凝膠、有機炭氣凝膠、碳化物氣凝膠、金屬氣凝膠、多組分氣凝膠等。
二氧化硅（SiO2）氣凝膠是一種非常好的隔熱材料。而且SiO2氣凝膠的折射率接近空氣，使得太陽光可以輕易地從中穿過。憑借這種隔熱透光的特性，SiO2氣凝膠已在太陽能利用以及建筑節能等方面有所應用。
全碳氣凝膠具有極強的吸附能力，可吸附自身質量最高可達900倍的有機溶劑。而且，它的吸附效率也十分驚人，1g全碳氣凝膠每秒鐘便能吸附68.8g的有機物。全碳氣凝膠的結構韌性也非常優良，即便被數千次壓縮至原體積的20%也可迅速復原。
如今，氣凝膠已被廣泛應用于許多領域，制造出如氣凝膠體育器材、氣凝膠電池、氣凝膠房屋、氣凝膠登山鞋等新型產品。
不過，要使氣凝膠產品走進千家萬戶，似乎還需要一些時間。
展開 氣凝膠相變隱身復合材料！
中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所張學同研究員領導的氣凝膠團隊制備了一種具有高孔隙率（ 98% ）和高比表面積（ 365.99 m 2 /g ）的柔性氣凝膠薄膜，通過溶解杜邦 TM 的 Kevlar 獲得納米纖維溶膠，再經刮刀涂布、溶膠 - 凝膠及后續的冷凍干燥過程獲得 Kevlar 氣凝膠薄膜。該氣凝膠具有優異的隔熱性能，室溫環境下，熱導率約為 0.036 W/m K ， 200μm 厚的氣凝膠薄膜覆蓋在 300°C 的熱源上，氣凝膠表面溫度僅為 220°C ，溫差達到了 80°C 。 與 相變材料聚乙二醇復合并進行疏水化處理，制備出氣凝膠 / 相變復合薄膜，該相變復合薄膜：（ 1 ）相變焓高達 179.1 J/g ；（ 2 ）紅外發射率與多數環境背景匹配；（ 3 ）在 3μm-15 μm 紅外波段具有超低紅外透過率。在室外環境（如光照）下，用該復合薄膜覆蓋無發熱物體，可實現紅外隱身。對持續發熱物體（比如發動機），提出了氣凝膠隔熱層與相變復合薄膜疊加的組合結構： Kevlar 氣凝膠薄膜具有優異的隔熱性能，根據目標與環境之間的溫度差異，選擇合適層數或者厚度的氣凝膠層，可將溫度降低至與環境溫度匹配；相變復合薄膜具有低紅外透過率，高溫目標發射的紅外光無法透過。因而覆蓋這種組合結構的高溫目標在紅外照片中也能實現紅外隱身。
根據使用場景，選用匹配的氣凝膠 / 相變復合薄膜，或者組合結構，即可實現紅外隱身，如圖 1 所示。相關研究成果以 “Nanofibrous Kevlar Aerogel Films and Their Phase Change Composites for Highly Efficient Infrared Stealth” 為題，已在線發表于國際期刊《 ACS Nano 》（ ACS Nano 2019,13, 2236 ？
展開 綜述 \\ 硅基氣凝膠隔熱材料的研究進展-1
01
SA-TIMs的特點、發展歷史、制備過程及設計原則
1.1 特征
純SA是一種納米多孔聚合物材料(見圖2)，以連接的二氧化硅顆粒(1~5 nm)為骨架，通過氣體在其整個體積中膨脹，具有高孔隙率(85~99.8%)，極小孔隙(~20 nm)形成的三維連續網絡。一方面，這種特殊的納米孔網絡結構顯著降低了SA的氣固熱傳導，使純SA的導熱系數處于0.01~0.03W/(m?K)的顯著低值。但是為了擴大SA-TIMs的適用性，需要克服該材料的缺點，如粉塵釋放、耐久性差、體積收縮、加工時間長、成本過高等。幸運的是，SA在制備過程中具有靈活的化學性質和較強的可設計性:(1)其形狀、成分、表面官能團和孔結構可以精細定制;(2)任何材料以及不同材料的組合都可以嵌入到SA基體中。一般情況下，在SA基體中加入一些第二相材料(SPMs)，如粉末和纖維，以抑制輻射導熱性，提高機械強度。到目前為止，SA-TIMs的力學性能、導熱系數、表面性質以及相關的生產成本都可以根據其實際需求通過相關技術進行有效的定制。
圖2.SA的微觀結構。
1.2 發展歷史
圖3顯示了SA-TIMs的發展歷程。1931年，Samuel Stephens Kistler發現了第一個氣凝膠，即SA。Kistler的方法也適用于其它氣凝膠的制備，如氧化鋁、氧化鎢、氧化鐵、氧化錫、酒石酸鎳、纖維素、硝酸纖維素、明膠、瓊脂、橡膠氣凝膠等。然而，這一過程繁瑣且耗時，直到1968年S. J. Teichner及其同事重新發現氣凝膠后，人們才對氣凝膠領域產生了興趣。
展開 綜述 \\ 硅基氣凝膠隔熱材料的研究進展-2
圖14.熱導率與氣凝膠樣材料的抗壓強度關系示意圖。
2.2.2 多組分SA-TIMs
幾種多組分SA-TIMs，如SiO2-Al2O3(具有更高的熱、化學和機械穩定性)，SiO2-ZrO2(光學性能、更高的熱穩定性和化學穩定性、耐強的機械強度和強的表面酸性)、SiO2-C(更高的比表面積和更好的抗氧化性)、SiO2-TiO2(更大的孔體積和更高的光催化活性)和SiO2-Fe2O3(更高的結構和磁性能)氣凝膠被合成用于各種應用。例如，Wu發現，隨著Al/Si摩爾比的增加，SiO2-Al2O3氣凝膠的形貌可能從連接的球形顆粒轉變為納米級的纖維顆粒和網狀微觀結構(見圖15)，其直徑不同。
圖15.SiO2-Al2O3復合氣凝膠的生長機理示意圖。
由于各組分之間的協同作用，多組分SA-TIMs可以充分利用各組分網絡，獲得更好的理化性能。例如，具有三維納米互穿網絡的二氧化硅氣凝膠和二氧化硅/纖維素氣凝膠具有高強度、高剛性、低導熱性和穩定的微觀結構。Yu等人提出了一種新的合成策略，用于苯酚-甲醛(PFR)樹脂與SA的共聚和納米級相分離，展示了一個二元網絡結構(見圖16)，其結構域尺寸小于20 nm。PFR/SA復合材料具有優異的保溫、防火和阻燃性能，可承受60%的壓縮而不破裂。
圖16.具有二元網絡結構的PFR/SA復合氣凝膠示意圖。
上述多相摻雜、共形包覆和多組分SA-TIMs都有其獨特的缺陷。例如，短纖維增強SA-TIMs的強度和韌性普遍較低，而長纖維或纖維氈增強SA-TIMs的結構穩定性較差。
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